La stampa 3D nel settore energetico

La stampa 3D, o produzione additiva, è una tecnica di produzione che crea un oggetto tridimensionale a partire da un file di progettazione assistita da computer (CAD). Il termine comprende diversi processi che vedono uno o più materiali - tipicamente plastica, metallo, cera o materiali compositi - essere depositati strato per strato per costruire una forma.

L'intero processo è controllato dal computer, il che rende la stampa 3D un metodo economico, efficiente e preciso per creare oggetti di qualsiasi geometria o complessità. Oggi la stampa 3D è utilizzata in tutti i settori industriali per produrre qualsiasi cosa, dai prototipi, agli strumenti e alle maschere, fino ai componenti e alle parti destinate all'uso finale.

Le stampanti 3D sono disponibili in varie dimensioni, da quelle sufficientemente piccole da essere posizionate su un banco di lavoro alle macchine industriali di grande formato.

Le stampanti di grandi dimensioni producono oggetti più grandi, ma le macchine occupano più spazio e costano molto di più delle stampanti da banco. La realizzazione di una stampa di successo è anche più complessa su una macchina di grande formato, a causa del volume di materiale e del tempo di stampa necessari.

La stampa 3D offre molti vantaggi al settore energetico, tra cui:

• Semplificazione dello sviluppo del prodotto
• Maggiore flessibilità di progettazione
• Accelerazione del time to market
• Produzione di parti più leggere e performanti 
• Riduzione al minimo dello spreco di materie prime
• Consolidamento di parti precedentemente separate in un'unica unità
• Ottimizzazione dell'inventario e della gestione della catena di fornitura

Il settore dell'energia si sta progressivamente spostando verso fonti più rinnovabili e sostenibili come l'eolico, il solare, le maree, l'idroelettrico, il geotermico e la biomassa. Mentre avviene questa transizione, molti Paesi continueranno a consumare energia prodotta bruciando combustibili fossili come petrolio, gas naturale e carbone.

La stampa 3D è la chiave per accelerare l'adozione delle energie rinnovabili e, nel frattempo, contribuire a rendere più pulite le fonti energetiche tradizionali. Un aspetto che il settore energetico ha recepito. Oggi è possibile trovare laboratori di stampa 3D presso la maggior parte dei principali operatori, tra cui BP Global, Chevron, Exxon Mobil, GE Power e Shell Global.

La tecnologia viene utilizzata anche dalle start-up e dai distruttori del mercato, dalle società di distribuzione dell'energia e dagli spin-out universitari ai produttori di batterie.

Tuttavia, l'uso della stampa 3D nel settore energetico è relativamente basso rispetto a quello automobilistico, aerospaziale e sanitario. Le aziende del settore energetico utilizzano la stampa 3D soprattutto per la prototipazione rapida e la modellazione, piuttosto che per la produzione di parti finali.

Questa situazione sta cambiando, tuttavia, man mano che il settore energetico acquisisce familiarità con la tecnologia di stampa 3D e con i numerosi vantaggi che può offrire. La gamma dei potenziali casi d'uso si sta ampliando anche grazie alla ricerca di nuovi materiali e processi di stampa 3D.

Inoltre, sono in corso iniziative per sviluppare gli standard industriali, i processi di garanzia della qualità e le certificazioni necessarie per le parti stampate in 3D da utilizzare in ambienti difficili come le piattaforme petrolifere offshore o i parchi eolici.

Di conseguenza, è probabile che nel prossimo futuro assisteremo a un maggiore utilizzo della stampa 3D nel settore energetico.  

Duncan Machine Products (DMP), con sede in Oklahoma, è un'azienda di lavorazione di precisione a servizio completo che è diventata un fornitore chiave per l'industria petrolifera e del gas.

In risposta alla crescente domanda dei clienti di maggiori prestazioni dei pezzi e di tempi di consegna più brevi, DMP ha stretto una partnership con Velo3D per la produzione di pezzi industriali stampati in 3D.

Le stampanti di Velo3D sono note per la produzione di parti di alta qualità con geometrie a basso angolo senza strutture di supporto. Questo aiuta le aziende come DMP a partecipare a un portafoglio di progetti più ampio, poiché i clienti non devono riprogettare le parti.

DMP ha già ricevuto l'ordine di stampare in 3D un minimo di 1.500 parti per strumenti di perforazione utilizzati nell'esplorazione onshore e offshore; un ordine che potrebbe aumentare di 10 volte nei prossimi 24 mesi.

Le condizioni in cui gli strumenti di perforazione devono operare sono ostili e comprendono situazioni di pressione estrema e di alta temperatura, che richiedono una soluzione di produzione robusta e affidabile. 

Per questo programma specifico, DMP sta utilizzando la produzione additiva di metallo (AM) per sostituire la microfusione come processo di produzione.

Secondo un portavoce di DMP, l'AM in metallo è molto compatibile con l'industria petrolifera e del gas, dati i suoi complessi requisiti ingegneristici. La tecnologia contribuisce inoltre a ridurre i costi, a migliorare la qualità e a ridurre i tempi di consegna.

 

• PROTOTIPAZIONE RAPIDA

I prototipi, che si tratti di semplici mock-up o di modelli dettagliati in scala, sono una parte fondamentale dello sviluppo di un prodotto. I primi modelli concettuali consentono agli ingegneri di convalidare un progetto e di vedere come i diversi componenti interagiscono tra loro. Questo aiuta a evidenziare potenziali problemi nelle prime fasi del processo di produzione e garantisce che il progetto finale sia conforme alle specifiche di progettazione.

Un tempo i prototipi venivano fatti a mano o creati con stampi che dovevano essere progettati e fabbricati, spesso da un'azienda esterna. Questo processo era costoso e poteva richiedere settimane o addirittura mesi. 

La stampa 3D comprime il ciclo di sviluppo del prodotto, consentendo di progettare e stampare le parti in una frazione del tempo e del costo dei metodi di produzione tradizionali.

La riduzione del tempo tra i perfezionamenti della progettazione consente di eseguire un maggior numero di test in un periodo di tempo uguale o inferiore. Ciò consente alle aziende di accelerare il time to market e di rimanere davanti alla concorrenza.

La velocità, l'accuratezza e l'accessibilità dei modelli stampati in 3D rendono più rapida ed efficiente anche la costruzione di nuovi progetti energetici. Ad esempio, il progetto di estrazione di petrolio e gas in acque profonde Stones è il più profondo al mondo e opera a 2.900 metri di profondità in un'area del Golfo del Messico.

L'infrastruttura sottomarina pompa petrolio e gas da sotto il fondale marino a una nave galleggiante di produzione, stoccaggio e scarico (FPSO). La stampa 3D ha aiutato il team del progetto Stones a prototipare il sistema che collegherà la FPSO alle condutture dal fondale marino. Ciò ha permesso di dimostrare il sistema alle autorità statunitensi che hanno dovuto approvarne l'uso per la prima volta nella regione.

• PARTI DI PRODUZIONE

La stampa 3D viene utilizzata per produrre una gamma crescente di componenti critici e di alto valore per il settore energetico. In particolare quelli di elevata complessità e/o richiesti in bassi volumi, che rendono inadatte le tecniche di produzione tradizionali. 

Tra questi, ugelli di turbine a gas, giranti, pistoni, pompe, rotori e parti di valvole di controllo, misuratori di portata, scambiatori di calore e manometri.

Molti di questi componenti operano in ambienti difficili e devono resistere a sollecitazioni meccaniche e termiche estreme. Ciò significa che le parti stampate in 3D per il settore energetico sono solitamente realizzate in metallo o lega piuttosto che in plastica o resina.

Finora solo pochi componenti per uso finale sono stati approvati per l'uso nel settore energetico. La generazione di energia è una parte vitale della vita quotidiana e un guasto hardware rappresenta una seria minaccia potenziale per le persone, la fauna selvatica e l'ambiente.

Di conseguenza, le aziende energetiche e gli enti normativi sono avversi al rischio quando si tratta di sostituire metodi collaudati con nuove alternative, nonostante i vantaggi che offrono. Questa situazione potrebbe cambiare con l'aumento dell'affidabilità della stampa 3D e la pubblicazione di standard specifici per il settore.

• RICAMBI E RIPARAZIONI PER LA MANUTENZIONE

I tempi di inattività sono un problema serio in qualsiasi industria, ma soprattutto nel settore energetico. Solo l'1% dei tempi di inattività, pari a 3,65 giorni, costa alle aziende del settore petrolifero e del gas circa 6,6 milioni di dollari all'anno. Le società offshore hanno in media quasi un mese di fermo macchina non pianificato, 27 giorni, con un costo annuo di quasi 50 milioni di dollari. Si ritiene che quasi la metà di tutti i tempi di inattività non pianificati sia causata da una qualche forma di guasto o malfunzionamento dell'hardware.

L'elevato costo dei tempi di fermo significa che le aziende energetiche sono state storicamente costrette a immagazzinare grandi quantità di componenti con costi considerevoli.

Hanno invece bisogno di un modo per accedere alle parti di ricambio in modo affidabile e rapido per gli impianti in luoghi remoti, senza dover affrontare i costi delle scorte o della riprogettazione e qualificazione di una nuova parte da zero.

È qui che la velocità, la flessibilità e l'efficienza della stampa 3D danno i loro frutti. I pezzi affidabili possono essere stampati su richiesta in luoghi remoti o in prossimità di essi. Il processo è molto più rapido ed economico rispetto all'accumulo di scorte o alla necessità di riprogettare e qualificare un nuovo pezzo. Inoltre, non sono necessari ordini minimi di produzione.

Ciò contribuisce a ottimizzare i livelli di inventario ed elimina la necessità di mantenere strutture di stoccaggio. I componenti difficili da ottenere o obsoleti possono anche essere scansionati digitalmente e riprogettati per la stampa 3D. Ciò consente di risparmiare tempo, costi e manodopera e di ottenere spesso componenti più leggeri e più performanti.   

 

Turbine più alte e potenti potrebbero contribuire ad aumentare l'efficienza e la produzione di energia di un parco eolico. Ma ci sono dei limiti alla potenza delle turbine eoliche terrestri. Generatori più grandi richiedono torri più alte, più forti e più consistenti. Questo rappresenta un ostacolo alla crescita futura dell'industria eolica.

Le torri delle turbine eoliche tradizionali sono realizzate con tubi d'acciaio prefabbricati trasportati sul posto su camion a pianale e saldati insieme in loco. Il trasporto su strada limita le dimensioni di queste torri, che sono di circa 14 piedi di diametro. Se si superano le dimensioni, diventano troppo larghe per essere utilizzate su molte strade.

La stampa in 3D delle fondamenta della torre in calcestruzzo sul posto consentirebbe di rendere la base più ampia e resistente per sostenere una turbina più alta e più potente.

Inoltre, l'efficacia di una turbina dipende dall'altezza del terreno locale. Poiché le basi in calcestruzzo stampato possono variare in altezza, la stampa 3D può ottimizzare le altezze delle turbine in base al terreno locale e massimizzare la disposizione del sito. Questo metodo ridurrebbe anche i costi di trasporto e aprirebbe nuovi siti per la produzione di energia eolica.

Nell'aprile del 2022, GE Renewable Energy ha aperto una nuova struttura di ricerca a Bergen, New York, che studierà come stampare in 3D la base in cemento delle torri utilizzate nelle turbine eoliche.

La ricerca pionieristica utilizzerà un nuovo tipo di stampante, la più grande del suo genere, in grado di stampare più di 10 tonnellate di cemento all'ora. Si tratta della prima stampante 3D per calcestruzzo con due assi X: uno per la stampa e uno per l'armatura.

GE Renewable Energy testerà il processo di stampa al chiuso nel 2022 e punta a stampare un segmento di torre in scala reale all'esterno l'anno prossimo. Le prime applicazioni sul campo sono previste entro i prossimi cinque anni.

 

• ENERGIA RINNOVABILE

La scala definirà la velocità e il successo della transizione del settore energetico dai combustibili fossili al 100% di origine sostenibile. Con una domanda di energia ai massimi storici, le aziende del settore delle energie rinnovabili devono trovare il modo di fabbricare prodotti più performanti, in modo più rapido ed economico.

Non c'è da stupirsi che la stampa 3D nel settore delle energie rinnovabili sia in forte crescita. I pannelli solari stampati in 3D, ad esempio, hanno dimostrato di essere più efficienti del 20% rispetto a quelli tradizionali, ma la loro produzione costa circa la metà.

Una delle fasi più lunghe e laboriose della produzione di una turbina eolica è la realizzazione di un mock-up a grandezza naturale di una pala utilizzato per lo stampo. Sono in corso ricerche per capire come la stampa 3D possa migliorare questo processo.

I ricercatori del National Renewable Energy Laboratory statunitense hanno fatto un ulteriore passo avanti e hanno sviluppato un metodo per stampare in 3D le pale delle turbine eoliche utilizzando materiali termoplastici. Il metodo crea pale avanzate più leggere, più lunghe, meno costose e più efficienti nel catturare l'energia eolica.

• BATTERIE

Le tecnologie di accumulo delle batterie consentono di immagazzinare l'energia proveniente da fonti rinnovabili e di rilasciarla quando è necessaria. Le batterie agli ioni di litio, presenti negli smartphone, nei computer portatili e nei veicoli elettrici, sono attualmente il sistema di accumulo di energia più comune ed economicamente vantaggioso.  

Le batterie allo stato solido hanno il potenziale per offrire una soluzione più leggera, più piccola, con una ricarica più rapida, più densa di energia e più sicura. La stampa 3D sta aiutando a produrre queste batterie in modo più efficiente, economico e su scala.

La start-up Sakuu ha recentemente aperto una nuova struttura per la stampa e la progettazione di batterie nella Silicon Valley. La nuova struttura consentirà a Sakuu di scalare la sua piattaforma di batterie con stampa 3D.

Secondo l'azienda, le batterie allo stato solido prodotte saranno fino al 50% più piccole e al 30% più leggere delle batterie agli ioni di litio e molto meno costose da produrre in grandi volumi.

 

La Ultra Safe Nuclear Corporation, con sede a Seattle, sta sviluppando un reattore micro-modulare più piccolo, più sicuro e più semplice da installare rispetto a una centrale nucleare tradizionale.

La chiave del suo approccio è il combustibile rivestito di ceramica, per il quale la stampa 3D svolge un ruolo fondamentale. Ultra Safe Nuclear circonda un tipo standard di particelle di combustibile nucleare, noto per la sua sicurezza, con materiale ceramico. In questo modo si ottiene la cosiddetta sfera di combustibile microincapsulata. 

Tradizionalmente, queste sfere sono inserite in una matrice grafitica morbida. Tuttavia, questa matrice presenta limiti di barriera e di resistenza. La soluzione è stata quella di sostituire la matrice con carburo di silicio ceramico (SiC), una ceramica tecnica spesso utilizzata nel settore aerospaziale, nelle armature e nelle applicazioni ad alta temperatura.

Le condizioni all'interno di un reattore nucleare sono tra le più difficili di tutta l'industria, ma il SiC non si ritira né si gonfia eccessivamente come la matrice grafitica tradizionale. Inoltre, è molto resistente all'ossidazione e alla corrosione, consentendo di sopportare le condizioni difficili del nucleo del reattore nucleare.

Il problema del SiC, tuttavia, è che è un materiale difficile da produrre o da modellare in parti complesse. Nonostante il desiderio di lavorare con il carburo di silicio, da tempo non esisteva un metodo praticabile o accessibile per trasformare il SiC nelle forme necessarie per le applicazioni nucleari.

La situazione è cambiata grazie alle stampanti 3D a getto di legante Desktop Metal e alla loro capacità di stampare in 3D particelle ceramiche termoresistenti di carburo di silicio in geometrie uniche e complesse.

Ultra Safe Nuclear sta attualmente dimostrando i sistemi energetici MMR presso i Laboratori nucleari canadesi e l'Università dell'Illinois e ha avviato nuovi progetti per l'ulteriore diffusione della sua tecnologia negli Stati Uniti, in Canada e in Europa.

 

• MANCANZA DI FAMILIARITÀ

Sebbene i casi di utilizzo siano in aumento, la stampa 3D nel settore dell'energia non è ancora mainstream, sicuramente al di fuori della prototipazione e della creazione di modelli. Il momento potrebbe arrivare, forse prima del previsto, ma per ora la tecnologia rimane secondaria rispetto ai metodi di produzione più convenzionali.

Un rigoroso processo di certificazione e qualificazione dei pezzi è parte integrante della produzione di componenti critici per la sicurezza. Sostituire tecniche di produzione collaudate con qualcosa di nuovo comporta un livello di rischio che alcune aziende del settore energetico non sono in grado di affrontare.

• GRANDI VOLUMI

 In molti casi, la stampa 3D può produrre un singolo articolo o un piccolo lotto di articoli in modo più rapido ed efficiente rispetto ai metodi di produzione tradizionali. Tuttavia, ogni macchina può stampare solo un determinato numero di oggetti alla volta, a seconda delle dimensioni della macchina e dell'oggetto, quindi potrebbe non essere il metodo più adatto o conveniente per grandi produzioni.

• DIMENSIONE DEI PEZZI

Le stampanti 3D hanno vincoli dimensionali intrinseci che le rendono incapaci di produrre componenti di grandi dimensioni. In alcuni casi, è possibile unire più parti più piccole, anche se questa non è sempre la soluzione ideale.

I produttori di stampanti 3D stanno lavorando per risolvere i limiti dimensionali delle macchine esistenti, ad esempio eliminando le barriere presenti nelle tipiche camere di stampa.